困扰热力学的三个妖精( 四 )


量子热机和经典热机有什么不同?在量子体系中热机可以获得额外的资源,纠缠和相干性可以作为“燃料”使用 。 尽管如此,仍然没有人找到绕过热力学第二定律的方法 。 [10]也许这是意料之中的,毕竟,赛斯·劳埃德(Seth Lloyd)认为,“除了死亡、税收和热力学第二定律,生活中没有什么是永恒的” 。
然而,这两种类型的热机有所不同 。 在经典热力学中,只有当热力学过程准静态进行,或无限缓慢地进行时,才能达到最大的卡诺效率,但这意味着热机产生的功率趋于零 。 这一限制导致了有限时间热力学(finite-time thermodynamics)的发展,而在这一框架内,还有其他对热机效率限制的因素 。 在有限时间内,量子热机可以比经典热机更有效率,但两者仍然都受到卡诺极限的限制 。 [11]
如果热力学不局限于宏观的大系统,那么它是普遍成立的吗?许多物理学家认为,它是普遍成立的 。 阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)曾经说过,“它是唯一具有普适性的物理理论,我相信在其基本概念的适用范围内,它永远不会被推翻 。 ”[12]如今,热力学被用来理解各种概念,如量子热机、球状星团、黑洞、细菌群,以及更有争议的大脑 。 [13]
麦克斯韦的第二个哲学主张是,热力学是我们对现实看法的一个特征 。 正如他在1877年《大英百科全书》的一篇文章中写道,“区分热力学中有序运动和无序运动的不是物质本身的属性,而是感知它们的思想 。 ”[14] 事实证明,麦克斯韦的观点具有持续的影响力 。 例如,珀西·布里奇曼(Percy Bridgman)附和麦克斯韦的观点,他在1941年断言:“热力学比物理学的其他分支更有人类起源的味道——观察者通常出现在争论中 。 ”[15]
为什么会这样呢?我们以蜜蜂为例 。 昆虫看到的花园与我们非常不同,因为它们的眼睛对电磁频谱的其他波段敏感 。 热力学是人类中心主义的说法,或者说是依赖于观察者的说法,意味着如果我们是不同类型的生物,热力学特征(如熵)可能看起来是不同的,或者根本就不存在 。 在这种观点下,热力学将类似于一副玫瑰色的眼镜,我们通过它来理解和感知世界,但却看不到它的实际面貌 。
这样一来,麦克斯韦的想法就把热力学与人联系在一起 。 考虑到量子力学已经让许多人接受观察者似乎无法从物理学中消除的情况,热力学也依赖于观察者的观点可能看起来并不奇怪 。 但麦克斯韦并不是在向像蜜蜂一样的一般观察者发出呼吁 。 他认为,热力学是专门以人类为中心的 。 正如他在《大英百科全书》的同一篇文章中写道:“处于中间阶段的人类可以掌握部分形式的能量,只有对人类而言,能量似乎不可避免地从可用状态转为耗散状态 。 ”[16]理解这种人类中心主义充满了挑战 。 例如,不管我们对咖啡的了解如何,也不管我们对现实的看法如何,杯中的咖啡都会降温,这似乎不可否认 。
我们对人类中心主义存在的担心程度完全取决于对科学事业本身的立场 。 科学家是否真的在以独立于人类视角的方式,研究现实的深刻本质?还是说科学仅仅是一个工具和手段,要求我们“闭嘴并计算(shut up and calculate)” 。 关于科学现实主义的辩论,已经延续了几个世纪而没有定论,但最近量子热力学的发展为那些想摆脱热力学中人类中心观点的人提供了一些希望 。
经典统计力学的基本假设之一是系统微观态的等几率假设 。 但是我们应该如何理解统计力学中的概率呢?多年来,这个问题受到了玻尔兹曼、保罗·埃伦费斯特(Paul Ehrenfest)和塔蒂亚娜·埃伦费斯特·阿法纳西娃(Tatiana Ehrenfest-Afanasyeva)等人的关注 。 在此,我们将注意力集中在由物理学家埃德温·杰恩斯(Edwin Jaynes)推广的主流观点,该观点认为统计力学的基本假设源于我们对微观态细节的无知 。 因为杰恩斯的观点强调我们人类的无知,它暗中强化了热力学是以人类为中心的观点 。 我们必须假设每个微观状态出现的可能性相等,因为我们不知道系统处于哪个确切的微观态 。


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